埋地储罐的设计

刘潇博，赵红乔，张小平

（中国轻工业长沙工程有限公司，湖南长沙 410114）

储罐是在众多工业领域中广泛应用的设备，近年来随着经济的发展，用地紧缺、地下空间利用技术进步等原因，许多工程中采用地下储罐，即储罐埋入地下，只留进出料的管道到地面并在地面进行操作。地下储罐一般包括置于地下掩体中或直接埋入土中两种方式。地下储罐具有更加隐蔽、能够减少储存介质蒸发损耗、更方便作为放空罐的优势，尤其对于易燃易爆介质，地下储罐无疑是比较安全的设备安装形式。

当储罐置于地下掩体时，其设计计算方法与地上储罐相同，本文不做分析。储罐直接埋入地下时会受到覆土的压力及地下水的浮力等因素的影响。目前对于埋地储罐的设计并没有明确的设计标准和制造规范。本文针对直接埋地储罐设计中遇到的一些问题进行分析和阐述。

1 埋地储罐形式和材料的选择

为减少工程施工量，并从设备受力情况分析，埋地储罐一般采用卧式埋地储罐，根据储存介质的性质、设计温度、设计压力、环境温度、湿度等选择合适的材料，同时还要考虑材料的加工制造性能、经济合理性和设备的使用寿命。对于储存石油类产品的储罐一般建议采用压力容器专用钢板。

2 强度设计

对于埋地式储罐，计算罐壁厚度时除了由工况决定罐内介质压力p0，还必须考虑储罐外表面上方填土自重引起的静压力。

2.1 填土自重产生的静压力

卧式储罐埋地示意图见图1。

图1 卧式储罐埋地示意图

根据相关研究，储罐圆筒外表面上方填土自重引起的最大静压力的作用点位于距离圆心1/3R处。且

式中：p1为填土自重引起的最大静压力，MPa

r为填土密度（1 800～2 450kg/m3），取2 100kg/m3

g为重力加速度，N/kg

R为圆筒内半径，m

H0为圆筒顶部距离地面高度，m

K0为土的静止侧压系数，取黏土K0=0.33

2.2 储罐壁厚计算

计算出填土自重产生的静压力之后，结合储罐的工况决定工作压力p0，确定埋地储罐的计算压力pc：

①如p0为正压，则按照GB/T 150—2011中计算公式计算出设备计算厚度，圆整后得到名义厚度，再根据GB/T 150—2011用p1进行外压校核。

②若p0为负压，则用p0与p1叠加后的圆整值，作为外压计算压力，按照GB/T 150—2011计算筒体厚度及加强圈。

3 抗浮验算

工程中，埋地储罐空载时出现过罐体上浮，拉裂、拉脱工艺接管，造成生产事故的情况，为避免事故发生，地下卧式储罐如果全部或者局部埋入最高地下水位以下，就应进行抗浮验算，即验算在空罐情况下，储罐有无被浮起的可能。为了保证卧式储罐不被地下水浮起，必须满足储罐上方覆土重量与储罐自重大于地下水对储罐的产生浮力，即：G1+G2≥F1

式中：G1为罐体自重，N

G2为作用在储罐上的成棱柱体的土壤重量（见图2 地下卧罐平衡浮力的土压），N

图2 地下卧罐平衡浮力的土压

L为储罐筒体长度，m

δn为筒体名以厚度，m

ψ为土壤内摩擦角，见表1“土壤内摩擦角（ψ）参考值”

表1 土壤内摩擦角（ψ）参考值

F1为地下水对储罐产生的浮力，N

ρ为地下水密度，kg/m3

V为储罐埋入地下水部分

的体积，m3

K为安全系数，取1.2～1.5

如果储罐自重和覆土重量之和不能满足不等式，则说明储罐可能被地下水浮起，需采取措施将储罐与混凝土基础或者专门设定的锚墩固定在一起，以抵抗地下水浮力，目前常用的抗浮措施有：

（1）设置抱箍固定，抱箍使用螺栓与混凝土鞍座基础连接。

（2）卧式储罐上设置鞍式支座，混凝土基础上埋铁，鞍座底板与混凝土基础上所埋铁板直接焊接，或采用地脚螺栓固定。

以上抗浮验算是针对工程所在地区基本地下水位进行计算的，在生产中应加强对油罐池水位的巡视，在下雨时和下雨后更要如此，当从油罐防漏观察井观察到水位持续升高时，应立即进行排水。同时制定应急救援预案，配备应急救灾器材，主要是配备用于排水的防爆潜水泵，并密切关注当地的天气以及灾情预报情况，出现重大险情要及时处理。

4 计算示例

某埋地柴油卧式储罐，压力为常压，温度为常温，物料性质为易燃，公称直径φ1 500，筒体长L=1 800mm，两端为椭圆形封头，埋入地下深度H0为1 250mm，则填土自重对储罐产生的压力为：

取设计压力p=0.1MPa，若设备材质选用Q345R，则满足要求的筒体壁厚为4mm，考虑设备刚度要求，取筒体壁厚δn为8mm，并用-0.1MPa进行外压校核，壁厚满足要求。

罐体自重G1约为8 000N。

假设填土摩擦角为40°，根据图2，可计算出罐体直筒段上方填土重量G2：

本工程所在地，地下水位为-2.5m，可求出储罐在地下水部分的体积V=0.4m3，则地下水产生的浮力F1=5 880N。

由此可见 ：G1+G2=87 020N ，G1+G2＞F1满足抗浮要求，故本设备不需采取其他的抗浮措施。

5 卧式埋地储罐结构要求

由于卧式埋地储罐安装在地下，渗漏不易发现，且维修有一定难度，因此在设计卧式埋地储罐时应尽量减少罐体上的焊接接管，以减少焊缝，避免混凝土对焊缝的腐蚀，同时使设备上的接管尽量集中在一起。设计中通常在罐体上开设两个较大的人孔，把接管开孔集中设置在其中一个人孔平盖上，油罐的进油管应向下伸至罐内距罐底0.2m处，这主要是为了避免油品喷溅卸油产生静电火花，引起着火；另一个开孔作为人孔使用，内部设置直通罐底的扶梯，方便对设备其他管口的检修和更换，同时为防止雨水进入对开孔部位的腐蚀，在两个人孔外应安装较大的人孔外罩，并内设爬梯，伸出地面，且加盖保护。

卧式埋地储罐由于周围有砂石填充，一般情况下，对于设备本体而言，储罐有无固定鞍座，并无太大影响，但是考虑工艺配管，储罐必须固定才能防止由于填土沉降，引起储罐移位，而导致工艺配管拉裂，或法兰密封面泄漏。另外上文提出，考虑空罐时抗浮要求，储罐也需设置固定基础，并将储罐本体与固定基础固定。固定基础一般有混凝土鞍座或罐体上设置鞍座，在鞍座计算时应充分考虑罐体上方填土重量，填土上水泥路面的重量，及路面上可能出现的附加载荷，必要时应对路面上允许的最大附加载荷提出要求。

6 埋地储罐的制造与防腐要求

埋地储罐一般用来储存石油产品，油罐埋于地下，一旦出现异常将难以控制，造成的后果和影响可能难以估计，为保证油罐埋地后可靠运行，在制造时应对所有ABD类焊缝全焊透，进行100%无损检测。因油罐承受外压，为防止罐体受到填土载荷造成局部变形失稳，可适当减少壳体圆度允差。

储罐埋于地下，受到地下水和土壤侵蚀，微生物破坏，罐体极易被腐蚀，造成泄漏。对于盛装对环境危害较大的介质的埋地储罐，可采用钢制强化玻璃纤维制双层结构，即内层采用钢壳，外层采用强化玻璃纤维，在内部钢壳与外部强化玻璃纤维层之间产生3.5mm的空隙，即使内壳产生泄漏，也能保证所容危险物仅在空隙中流动，不会溢出外界污染环境，且相对于单层罐体外涂刷的防腐漆，强化玻璃纤维层具有很强的耐腐蚀性、耐电蚀性，设备使用寿面更长。目前双层埋地储罐多用于加油站。对于其他单层埋地储罐，设备检验合格后，外表面应按照相关标准规范要求进行除锈、去污、去油等表面处理，并采用不低于加强级的防腐保护层，如涂刷环氧底漆，环氧煤沥青漆或环氧煤沥青涂料。

建在水源保护区的直埋油罐，应对油罐采取防渗漏扩散的保护措施，并应设置渗漏检测设施，防止加油站油罐对地下水源和附近江河海岸的污染。

7 结语

埋地式储罐由于其安全，节约用地的优点，应用越来越广泛，在埋地储罐设计过程中：

1）必须考虑填土及附加荷载对设备造成的外压力，对储罐进行强度计算，并进行外压校核。

2）为防止埋地储罐空罐时上浮，需对埋地储罐进行抗浮验算，采取将储罐与固定基础固定，或增加锚墩的措施，防止空罐上浮。

3）选择适合储存介质的材料，合理的结构形式，严格的加工制造及检验方法。

4）设备外表面应采用不低于加强级的防腐保护层。